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Dec 05, 2023

새로운 유체 흐름 법칙을 밝히기 위해 연구자들은 빨대를 사용합니다.

2023년 3월 23일 이 기사는 Science X의 편집 과정 및 정책에 따라 검토되었습니다. 편집자들은 콘텐츠의 신뢰성을 보장하면서 다음 특성을 강조했습니다.

2023년 3월 23일

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뉴욕 대학교

한 연구팀이 수천년 된 기술인 빨대에 대한 실험을 통해 체액의 흐름을 지배하는 새로운 법칙을 발견했습니다. 이 지식은 의료 및 엔지니어링 응용 분야에서 유체 취급을 개선하는 데 유용할 수 있습니다.

"우리는 빨대를 통해 마시는 것이 파이프나 튜브를 통한 흐름의 저항이나 마찰에 대해 이전에 알려진 모든 법칙을 무시한다는 것을 발견했습니다."라고 뉴욕 대학의 Courant Institute of Mathematical Sciences의 부교수이자 해당 연구의 저자인 Leif Ristroph는 설명합니다. , 이는 Journal of Fluid Mechanics에 게재됩니다. "이것은 우리가 어떤 크기의 파이프를 통해 어떤 속도로 움직이는 모든 유형의 유체에 적용할 수 있는 새로운 법칙을 찾도록 동기를 부여했습니다."

파이프, 튜브 및 덕트를 통한 액체 및 가스의 흐름은 혈류 및 송유관과 같이 자연과 산업의 다양한 상황에서 발생합니다.

"파이프 흐름 문제는 항상 유체 역학 연구에서 가장 기본적이고 중요한 문제 중 하나였으며 여러 가지 방법으로 이 문제를 해결하기 위해 분야가 개발되었습니다."라고 NYU 응용 수학 연구소 소장인 Ristroph는 설명합니다. 실시되었습니다.

그러나 Ristroph와 그의 동료들은 연구를 통해 압력과 유속과 관련된 모든 알려진 법칙이 특정 조건에서만 정확하다는 사실을 발견했습니다.

이 결론에 도달하기 위해 그들은 여러 유형의 액체를 사용하여 길이와 직경이 다른 금속 파이프의 유량과 압력을 측정하는 일련의 실험을 수행했습니다. 목표는 이러한 요소가 파이프를 통과하는 흐름의 마찰 저항과 어떻게 관련되는지 확인하는 것이었습니다.

"우리의 데이터에 따르면 흐름 마찰에 대한 유명하고 고전적인 법칙은 흐름 속도와 파이프 크기의 일부 조합에 대해서만 정확하다는 것이 밝혀졌습니다."라고 Ristroph는 설명합니다. "기존 법률이 제대로 작동하지 않을 때의 조건을 찾아냈고, 바로 코앞에서 빨대로 마시는 좋은 예를 발견했습니다."

빨대는 5,500년 전 초기 메소포타미아 문명인 수메르에서 사용된 것으로 추정됩니다. 그러나 작동의 유체역학은 이전에 연구된 적이 없습니다.

연구자들은 여러 종류의 빨대(얇은 커피 교반기 유형, 일반 탄산음료 유형, 넓은 버블티 유형)를 포함하도록 연구를 확장했으며 마시는 동안 일반적인 흐름 속도에 대한 마찰을 결정하기 위한 실험을 수행했습니다.

빨대와 비슷한 크기의 파이프에 대한 데이터는 발견자인 과학자 Evangelista Torricelli와 Jean Léonard Marie Poiseuille 등의 이름을 딴 알려진 법칙과 일치하지 않았습니다.

연구자들은 파이프가 매우 짧거나 매우 길고, 흐름이 매우 느리거나 매우 빠르다고 가정하기 때문에 각 고전 법칙이 실패했다는 사실을 발견했습니다. 빨대를 포함한 중간 사례에는 파이프의 길이에 따라 흐름이 어떻게 변하는지, 파이프가 매끄럽고 층류로 변하는지, 거칠고 난류로 변하는지와 같은 복잡한 요소가 포함됩니다.

이러한 효과를 모델링함으로써 팀은 단일 수학적 공식을 도출할 수 있었고 그 예측은 테스트된 모든 파이프와 빨대, 모든 유체 및 흐름 속도에 대한 실험 측정값과 일치했습니다.

"예를 들어 순환계의 혈류를 이해하고 모델링하는 데 보편적인 공식은 매우 유용할 수 있습니다."라고 Ristroph는 말합니다. "우리의 정맥, 동맥, 모세혈관은 기본적으로 직경, 길이, 유속이 다양한 파이프입니다."